水力學(xué)推流模型管理論文

1、水力學(xué)推流模型管理論文 1前言 天然河道洪水期流量隨時(shí)間急劇變化，流量測(cè)驗(yàn)很難滿足瞬時(shí)性和同步性條件，而且往往施測(cè)困難、危險(xiǎn)性大、精度較低。如何用經(jīng)濟(jì)簡(jiǎn)便的手段取得滿足一定精度的洪水（特別是高洪）流量資料是廣大水利和水文工作者十分關(guān)心的問(wèn)題。上世紀(jì)80年代以來(lái)，一些水文科技工作者開(kāi)始探索通過(guò)水位直接推算流量過(guò)程的水力學(xué)途徑，通過(guò)室內(nèi)的復(fù)雜計(jì)算簡(jiǎn)化野外工作，為解決高洪量測(cè)驗(yàn)問(wèn)題和天然河道流量的自動(dòng)測(cè)記問(wèn)題開(kāi)辟了一條新的道路1。但是，目前所提出的一些水力學(xué)推流模型，一般都要求具有兩個(gè)以上斷面的同步水位資料2,3。因此，這些模型在實(shí)用中存在一定的局限性。本文介紹一種僅需要一個(gè)斷面水位資料的近似擴(kuò)散波

2、的水力學(xué)推流模型。使用該模型，只要將水位采集裝置與計(jì)算機(jī)相連即能實(shí)現(xiàn)流量自動(dòng)記錄，在水文自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)只要配制相應(yīng)推流計(jì)算軟件就可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)流量的自動(dòng)測(cè)報(bào)。經(jīng)筆者推流驗(yàn)證，其流量測(cè)算精度滿足實(shí)用要求?，F(xiàn)將模型及其應(yīng)用情況簡(jiǎn)介如下，供參考。 2模型 由于洪水期的水流屬于非恒定流，對(duì)于棱柱體河道，在無(wú)旁側(cè)入流和出流的情況下，其水流運(yùn)動(dòng)可用圣維南（St.Venant）方程組描述4。即 （1） （2） 式中：A水道過(guò)水?dāng)嗝婷娣e； d過(guò)水?dāng)嗝嫠睿?Q流量； x流程； t時(shí)間； v斷面平均流速； 能坡； 底坡，一般認(rèn)為為穩(wěn)定流水面比降； g重力加速度。 采用謝才公式，流量方程可表達(dá)為： （3） 式中：C謝才

3、系數(shù)，采用曼寧公式，； R水力半徑； n河道糙率。 引進(jìn)恒定均勻流公式 （4） 式中：Q0恒定流流量。 通過(guò)式（2）作適當(dāng)變換求得，代入式（3）得非恒定流流量方程為 （5） 在一般河道中，（）為同一數(shù)量級(jí)的微小量，而且在洪水波中兩項(xiàng)正負(fù)相異，可以近似抵消，故認(rèn)為（）0。因此，式（5）可簡(jiǎn)化擴(kuò)散波形式： （6） 將上式對(duì)X求偏導(dǎo)數(shù)，則 （7） 對(duì)于滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)河流流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范5規(guī)定要求的水文測(cè)驗(yàn)河段，可以近似認(rèn)為 同時(shí)忽略式（7）右邊的第3項(xiàng)，Henderson6曾論證過(guò)此量與相比為一微小量。則式（7）可簡(jiǎn)化為 （8） 由公式（1）得 并將其代入式（8），整理得 由于，故上式可進(jìn)一步寫(xiě)成 （9）

4、 式中：斷面平均水深。 為了求解，式（9）可以改寫(xiě)成有限差的形式，即 （10） 式（10）中的為斷面水深隨時(shí)間的變化率，變可用水位變化率來(lái)代替?？梢?jiàn)為水位變化率（漲落率），河段糙率和斷面水力要素的函數(shù)。因此，根據(jù)實(shí)測(cè)水位過(guò)程線、糙率系數(shù)和大斷面資料，可以通過(guò)式（10）迭代求解。然后，將求解的結(jié)果代入式（6），即可求得相應(yīng)的流量值。式（10）和（6）即為推流計(jì)算的水力學(xué)模型，據(jù)此實(shí)現(xiàn)由水位過(guò)程直接推算流量過(guò)程。 3應(yīng)用 本文將該模型具體應(yīng)用于湖南省湘江流域的龍家山水文站和董背沖水文站。龍家山站位于湘江一級(jí)支流洣水的中游，控制流域面積4515km2。董背沖站湘江位于二級(jí)支流鐵水下游，集水面積168

5、1km2。兩站水位流量關(guān)系受洪水漲落率影響均比較嚴(yán)重。歷年洪水期的水位流量關(guān)系均呈繩套曲線，測(cè)次多，測(cè)流時(shí)間長(zhǎng)，困難大。 3.1工作曲線 采用水力學(xué)模型前，先建立以下工作曲線： （1）Zn或dn關(guān)系曲線。根據(jù)歷年實(shí)測(cè)的流量和比降資料，估算曼寧糙率系數(shù)，建立相應(yīng)河段的水位（或水深）與糙率之間關(guān)系的曲線。 （2）Z關(guān)系曲線。由于很多測(cè)驗(yàn)河段是選擇在倒坡河床上，所以不能直接用河段的實(shí)際底坡代替。這時(shí)，可以近似地認(rèn)為每次洪水的洪峰峰頂和峰谷接近于恒定流流態(tài)，故可通過(guò)各次洪峰峰項(xiàng)和峰谷所觀測(cè)到的比降資料分析出合理的值。一般情況下各級(jí)水位的正常水面比降是不同的。因此，可尋求正常水面比降與水位級(jí)的關(guān)系，建立

6、水位與正堂水面比降的關(guān)系曲線。 （3）ZA、ZR、Zd關(guān)系曲線。這些曲線根據(jù)最新的實(shí)測(cè)大斷面資料繪制。 3.2推流計(jì)算程序 采用水力學(xué)模型推流計(jì)算的步驟如下： STEP1.確定計(jì)算推流水位Z； STEP2.確定計(jì)算時(shí)段長(zhǎng)t，其長(zhǎng)度的確定應(yīng)滿足在推流水位Z，前后水位過(guò)程接近直線變化，計(jì)算相應(yīng)漲率z/t，其值為； STEP3.由工作曲線查得相應(yīng)于水位的正常水面比降、糙率及斷面參數(shù)面積、水力半徑和斷面平均水深； STEP4.由、據(jù)ZR工作曲線內(nèi)插、，近似計(jì)算R/d，其值為； STEP5.據(jù)式（10）通過(guò)牛頓迭代法計(jì)算d/X； STEP6.據(jù)式（6）計(jì)算相應(yīng)于水位的斷面流量； STEP7.繼續(xù)計(jì)算否？

7、是則轉(zhuǎn)STEP1；否則結(jié)束。 全部計(jì)算工作在計(jì)算機(jī)上編程完成。 3.3實(shí)例成果 由于篇幅所限，這里僅給出兩站設(shè)站以來(lái)實(shí)測(cè)最大洪水的水力學(xué)推流成果。其中附表為推流主要精度指標(biāo)，附圖為推流過(guò)程線與流速儀實(shí)測(cè)點(diǎn)的對(duì)比。從附圖和附表看出，推流效果是令人滿意的。 精度指標(biāo) 附表水力學(xué)模型推流計(jì)算成果精度表 站名 洪峰流量誤差 （%） 測(cè)點(diǎn)平均誤差 （%） 徑流量誤差 （%） 龍家山 2.3 2.7 1.1 董背沖 -0.5 1.9 -0.8 (a)龍家山水文站洪水流量過(guò)程線(b)董背沖水文站洪水流量過(guò)程線 附圖兩站設(shè)站以來(lái)實(shí)測(cè)最大洪水水力學(xué)推流與流速儀測(cè)流成果對(duì)比 4結(jié)語(yǔ) （1）通過(guò)水力學(xué)途徑用水位資料

8、推算流量，經(jīng)濟(jì)簡(jiǎn)便，其一個(gè)水文站的消耗僅相當(dāng)于一個(gè)水位站。本文介紹了一種近似擴(kuò)散波水力學(xué)推流模型。實(shí)例表明，該模型應(yīng)用于受洪水漲落率影響的水文測(cè)站，其推流精度能夠達(dá)到一定的要求，而且只要將水位采集裝置直接與計(jì)算機(jī)相聯(lián)，即可實(shí)現(xiàn)流量自動(dòng)記錄。這對(duì)于解決高洪測(cè)流特別是實(shí)現(xiàn)水文自動(dòng)測(cè)報(bào)和水文測(cè)站的無(wú)人值守具有重要意義。 （2）測(cè)流斷面的水下地形和河床糙率是直接影響斷面流量的兩個(gè)重要因素。應(yīng)用本模型推流時(shí)要適時(shí)監(jiān)視斷面變化情況，并不定期用流速儀校測(cè)少量測(cè)次，以率定河床糙率。一旦發(fā)現(xiàn)這些參數(shù)發(fā)生了變化，就及時(shí)修正相應(yīng)的工作曲線。 參考文獻(xiàn): 1王錦生.開(kāi)發(fā)新技術(shù),促進(jìn)“站隊(duì)結(jié)合”J.水文科技情報(bào),9(2

9、),1992.13 2吳壽紅.用變化的特征差分格式進(jìn)行水位推流J.水文,(3),1989.1418 3文其義,顏躍紅,陶蘇平,等.特征比降法推流的原理與應(yīng)用J.水文,(6),1991.2936 4鄭邦民,槐文信,齊鄂榮.洪水水力學(xué)M.武漢:湖北科學(xué)技術(shù)出版社,2000.5973 5中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(GB5017993).河流流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范S.北京:中國(guó)計(jì)劃出版社,1993.45 6HendersonFM.OpenChannelFlowM.N.Y.:TheMacmillanCo.,1966.6673 AHydraulicModelforAutomaticCollectionandTransm

10、issionofFloodDischargeData LIZheng-zui (Hydrology&WaterResourcesSurveyBureauofHunanProvince,Changsha410007,China) Abstract:Thehighleveldischargemeasurementistheemphasisanddiffcultyofhydrometry.Usingstagedatadeducesdirectlytodischargedatasothatitcanbringabouttheflooddischargeautomaticcollectionandtransmission.Thisisanewtechnologywhichthehydrologicworkeraresearchingallthetime.Inthispaperthehydraulicmodelforcalculatingtheflooddischargeofsimilarydiff